Circuit d’inversors d’ona sinusoïdal en cascada de 5 nivells

En aquest article aprenem a fer un circuit inverter en cascada multinivell (5 passos) mitjançant un concepte molt senzill desenvolupat per mi. Aprenem més sobre els detalls.

El concepte de circuit

Fins ara en aquest lloc web he desenvolupat, dissenyat i introduït molts circuits d’inversors d’ona sinusoïdal utilitzant conceptes senzills i components normals com IC 555, que estan més orientats als resultats en lloc de ser complexos i plens de confusions teòriques.

He explicat com simplement un l'amplificador d'àudio d'alta potència es pot convertir en un inversor d'ona sinusoïdal pura , i també he tractat exhaustivament sobre els inversors d'ona sinusoïdal mitjançant conceptes SPWM

A través d’aquest lloc web també hem après sobre com convertir qualsevol inversor quadrat en un inversor d’ona sinusoïdal pura disseny.

Avaluant els circuits inversors d’ona sinusoïdal anteriors utilitzant PWM equivalents sinusals, entenem que la forma d’ona dels SPWM no coincideixen directament ni coincideixen amb una forma d’ona sinusoïdal real, sinó que executen l’efecte o els resultats de l’ona sinusoïdal interpretant el valor RMS de l’ona sinusoïdal real AC.

Tot i que SPWM es pot considerar una manera eficaç de replicar i implementar una ona sinusoïdal raonablement pura, el fet que no simuli ni coincideixi amb una ona sinusoïdal real fa que el concepte sigui una mica sofisticat, sobretot si es compara amb un inversor d’ona sinusoïdal en cascada de 5 nivells. concepte.

Podem comparar i analitzar els dos tipus de conceptes de simulació d’ona sinusoïdal fent referència a les imatges següents:

Imatge de forma d'ona en cascada multinivell

Podem veure clarament que el concepte en cascada de 5 nivells multinivell produeix una simulació més evident i eficaç d’una ona sinusoïdal real que el concepte SPWM que es basa únicament en fer coincidir el valor RMS amb la magnitud de l’ona sinusoïdal original.

Dissenyar un inversor d’ona sinusoïdal en cascada convencional de 5 nivells pot ser força complex, però el concepte que s’explica aquí facilita la implementació i fa servir components normals.

Esquema de connexions

NOTA: Afegiu un condensador 1uF / 25 a través de les línies del pin # 15 i del pin # 16 dels circuits integrats, en cas contrari no s'iniciarà la seqüenciació.
En referència a la imatge anterior, podem veure com simplement el concepte d’inversor en cascada de 5 nivells es pot implementar pràcticament només mitjançant un transformador muti-tap, un parell de 4017 circuits integrats i 18 BJT de potència, que es podrien substituir fàcilment per mosfets si cal.

Aquí hi ha un parell de 4017 circuits integrats que són xips divisors de comptadors de 10 etapes de Johnson, en cascada per produir màxims lògics en execució o persecució seqüencial a través dels pinouts mostrats dels circuits integrats.

Funcionament del circuit

Aquesta lògica de funcionament seqüencial s'utilitza per activar els BJT de potència connectats en la mateixa seqüència que al seu torn commuta el bobinat del transformador en un ordre que fa que el transformador produeixi un tipus de forma d'ona sinusoidal en cascada.

El transformador forma el cor del circuit i empra un primari especialment ferit amb 11 aixetes. Aquestes aixetes s’extreuen de manera uniforme d’un sol bobinat llarg calculat.

Els BJT associats amb un dels circuits integrats commuten una de les meitats del transformador mitjançant 5 preses que permeten la generació de 5 passos de nivell, que constitueixen un mig cicle de la forma d’ona de CA, mentre que els BJT associats amb els altres circuits integrats fan la funció idèntica a la de formar a la meitat inferior del cicle de corrent altern en forma d'ona en cascada de 5 nivells.

Els circuits integrats s’executen mitjançant senyals de rellotge aplicats a la posició indicada al circuit, que es podrien adquirir des de qualsevol circuit astable estàndard de 555 IC.

Els primers 5 conjunts de BJT acumulen els 5 nivells de la forma d'ona, els 4 BJT restants canvien el mateix en ordre invers per completar la forma d'ona en cascada amb un total de 9 gratacels.

Aquests gratacels es formen produint nivells de tensió ascendent i descendent mitjançant la commutació del corresponent bobinat del transformador que es classifiquen en els nivells de tensió rellevants

Per exemple, el bobinatge núm. 1 es pot classificar a 150 V respecte a l'aixeta central, el bobinat núm. 2 a 200 V, bobinat núm. 3 a 230 V, bobinat núm. 4 a 270 V i bobinat núm. 5 a 330 V, de manera que quan es canvien seqüencialment per al conjunt dels 5 BJTs mostrats, obtenim els primers 5 nivells de la forma d’ona, a continuació, quan aquests bobinats es commuten a la inversa pels següents 4 BJT, es creen les formes d’ona descendents de 4 nivells, completant així el mig cicle superior de 220V CA.

El mateix ho repeteixen els altres 9 BJT associats amb els altres 4017 IC donant lloc a la meitat inferior del CA en cascada de 5 nivells, que completa una forma d'ona CA completa de la sortida de CA de 220V necessària.

Detalls del bobinatge del transformador:

Com es pot comprovar a l'esquema anterior, el transformador és un tipus de nucli de ferro ordinari, realitzat bobinant el primari i el secundari amb girs corresponents a les aixetes de tensió indicades.

Quan es connecten amb els BJT corresponents, es pot esperar que aquest bobinatge indueixi un nivell de 5 o un total de 9 nivells de forma d’ona en cascada, en què el primer bobinatge de 36V correspondria i induiria un 150V, el 27V induiria un equivalent a 200V, mentre que el 20V, 27V, 36V serien responsables de produir 230V, 270V i 330V a través del bobinat secundari en el format proposat en cascada.

El conjunt d’aixetes a la part inferior de la primària duria a terme el canvi per completar 4 nivells ascendents de la forma d’ona.

Un procediment idèntic seria repetit pels 9 BJT associats a la IC 4017 complementària per construir el mig cicle negatiu de l’AC ... el negatiu es produeix a causa de l’orientació oposada del bobinatge del transformador respecte a l’aixeta central.

Actualització:

Esquema de circuits complet del circuit inversor d’ona sinusoïdal discutit

NOTA: Afegiu un condensador 1uF / 25 a través de les línies del pin # 15 i del pin # 16 dels circuits integrats, en cas contrari no s'iniciarà la seqüenciació.
El pot 1M associat amb el circuit 555 haurà d’estar ajustat per configurar una freqüència de 50Hz o 60Hz per a l’inversor segons les especificacions del país de l’usuari.

Llista de peces

Totes les resistències no especificades són de 10 k i 1/4 de watt
Tots els díodes són 1N4148
Tots els BJT són TIP142
Les CI són 4017

Notes per al circuit d'inversors d'ona sinusoidal en cascada de 5 nivells:

La prova i verificació del disseny anterior es va dur a terme amb èxit pel Sr. Sherwin Baptista, que és un dels seguidors més interessats del lloc web.

1. Decidim el subministrament d'entrada a l'inversor --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Hi haurà un problema de soroll generat en tot el procés de construcció d’aquest inversor. Per solucionar el problema del soroll generat i amplificat amb molta facilitat

R. Decidim filtrar el senyal de sortida de l'IC555 en el moment que es produeix al pin 3, fent-ho per aconseguir una ona quadrada més neta.

B. Decidim utilitzar FERRITE BEADS a les respectives sortides de l'IC4017 per millorar el filtratge abans que el senyal s'enviï als transistors amplificadors.

C. Decidim utilitzar DOS TRANSFORMADORS i millorar el filtratge entre tots dos al circuit.

3. Les dades de l’etapa de l’oscil·lador:

Aquesta etapa proposada és l’etapa principal del circuit de l’inversor. Produeix els polsos necessaris a una freqüència determinada perquè el transformador funcioni. Està format per transistors de potència IC555, IC4017 i amplificador.

A. IC555:

Es tracta d’un xip de temporitzador de baix consum fàcil d’utilitzar i que té una gran varietat de projectes que es poden fer amb ell. En aquest projecte d’inversors el configurem en mode astable per generar ones quadrades. Aquí establim la freqüència a 450Hz ajustant el potenciòmetre d'1 megaohm i confirmant la sortida amb un mesurador de freqüència.

B. IC4017:

Es tracta d’un xip lògic de divisor de comptadors de 10 etapes de Jhonson, que és molt famós en els circuits intermitents / caçadors de LED seqüencials / en funcionament. Aquí està configurat de manera intel·ligent per utilitzar-lo en una aplicació inversora. Proporcionem aquest 450Hz generat per IC555 a les entrades d’IC4017. Aquest CI fa la feina de trencar la freqüència d'entrada en 9 parts, amb una sortida de 50 Hz.
Ara, els pins de sortida dels dos 4017 tenen un senyal de rellotge de 50Hz que continua funcionant cap endavant i cap enrere.

C. Els transistors de potència de l'amplificador:

Aquests són els transistors d’alta potència que arrosseguen la bateria als bobinats del transformador d’acord amb el senyal que s’hi alimenta. Com que els corrents de sortida dels anys 4017 són massa baixos, no els podem alimentar directament al transformador. Per tant, necessitem algun tipus d'amplificador que convertirà els senyals de baix corrent dels 4017 en senyals de gran corrent que després es poden passar al transformador per a una operació posterior.

Aquests transistors s’escalfarien durant el funcionament i necessitarien necessàriament dissipació de calor.
Es podria utilitzar dissipadors de calor separats per a cada transistor, per tant s'hauria d'assegurar que el
els dissipadors de calor no es toquen.

O

Es podria utilitzar una sola peça llarga de dissipador de calor per adaptar-se a tots els transistors. Aleshores caldria
aïllar tèrmicament i elèctricament la pestanya central de cada transistor de tocar el dissipador de calor

per evitar que siguin curtcircuitats. Això es pot fer mitjançant el kit d’aïllament de Mica.

4. A continuació ve el transformador de primera etapa:

R. Aquí fem servir el transformador primari multi-tapat a un transformador secundari de dos cables. A continuació, trobem els volts per aixeta per preparar la tensió primària.

---PAS 1---

Tenim en compte la tensió CC d'entrada de 24V. Dividim això amb 1.4142 i trobem el seu equivalent RMS de CA que és 16,97V ~
Arrodonim la xifra RMS anterior que resulta en 17V ~

--- PAS 2 ---

A continuació, dividim RMS 17V ~ per 5 (ja que necessitem cinc voltatges de presa) i obtenim RMS 3.4V ~
Prenem la xifra final de RMS per 3,5V ~ i multiplicant-la per 5 ens dóna 17,5V ~ com a xifra rodona.
Al final, hem trobat els Volts Per Tap que és RMS 3.5V ~

B. Decidim mantenir la tensió secundària a RMS 12V ~ és a dir, 0-12V és perquè podem obtenir una sortida d'amperatge més alta a 12V ~

C. Per tant, tenim la qualificació del transformador següent:
Primària multi-tocada: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V @ 600W / 1000VA
Secundària: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Hem obtingut aquest transformador per un distribuïdor de transformadors local.

5. Ara segueix el circuit LC principal:

Un circuit LC conegut com a dispositiu de filtre té aplicacions robustes en circuits convertidors de potència.
S’utilitza en aplicacions d’inversors, generalment es requereix per trencar els pics aguts

de qualsevol forma d'ona generada i ajuda a convertir-la en una forma d'ona més suau.

Aquí, a la secció secundària del transformador anterior, que és de 0 --- 12V, esperem un nivell multinivell
forma d'ona quadrada en cascada a la sortida. Per tant, fem servir un circuit LC de 5 etapes per obtenir una forma d’ona equivalent a SINEWAVE.

Les dades del circuit LC són les següents:

A) Tots els inductors haurien de ser 500UH (microhenry) 50A amb un nucli de ferro laminat EI.
B) Tots els condensadors han de ser de tipus 1uF 250V NONPOLAR.

Tingueu en compte que ens fixem en el circuit LC de 5 etapes i no només en una o dues etapes, de manera que podem obtenir una forma d'ona molt més neta a la sortida amb una distorsió harmònica menor.

6. Ara arriba el segon i últim transformador de fase:

Aquest transformador s’encarrega de convertir la sortida de la xarxa LC, és a dir, RMS 12V ~ a 230V ~
Aquest transformador es classificaria a continuació:
Primària: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secundària: 230V @ 600W / 1000VA.

Aquí, no es necessitaria cap xarxa LC addicional a la sortida final de 230 V per obtenir més filtrat, ja que ja vam filtrar totes les etapes de cada sortida processada al principi.
La OUTPUT serà ara SINEWAVE.

Una cosa bona és que no hi ha absolutament SOROLL a la sortida final d’aquest inversor i
es poden utilitzar gadgets sofisticats.

Però una cosa que la persona que opera l’inversor ha de tenir en compte és NO SOBRECARREGAR L’INVERTIDOR i mantenir els límits de càrrega d’aparells sofisticats.

Algunes correccions que cal fer al diagrama del circuit es donen a continuació:

1. El regulador IC7812 hauria de tenir condensadors de derivació connectats. S'ha de muntar en un
ENFONSADOR DE CALOR ja que durant el funcionament s’escalfaria.

2. El temporitzador IC555 hauria de seguir una resistència de sèrie abans que el senyal passi cap als díodes.
El valor de la resistència ha de ser 100E. L'IC s'escalfa si la resistència no està connectada.

A la conclusió, tenim 3 etapes de filtre proposades:

1. El senyal generat per IC555 al pin 3 es filtra a terra i després es transmet a la resistència
i després als díodes.

2. A mesura que els senyals en funcionament surten dels pins corresponents de l'IC4017, abans hem connectat perles de ferrita
passant senyal a resistència.
3. La fase final del filtre s'utilitza entre els dos transformadors

Com he calculat l’enrotllament del transformador

Voldria compartir alguna cosa amb vosaltres avui.

Quan es tractava de bobinar el nucli de ferro, no sabia res sobre les especificacions de rebobinat, ja que vaig descobrir que hi havia molts paràmetres i càlculs.

Així doncs, per a l’article anterior he donat les especificacions bàsiques a la persona que es va enrotllar i em va preguntar:

a) La presa de tensió d'entrada i sortida si és necessari,
b) El corrent d’entrada i sortida,
c) La potència total,
d) Necessiteu un dispositiu de fixació extern cargolat al trafo?
e) Voleu un fusible connectat internament al transformador de 220V?
f) Voleu cables connectats al trafo O simplement mantingueu el cable esmaltat a l'exterior amb material de dissipador de calor afegit?
g) Voleu que el nucli es connecti a terra amb un cable extern connectat?
h) Voleu que el NUCLE DE FERRO estigui protegit envernissat i pintat amb òxid negre?

Finalment, em va assegurar que faria una prova de seguretat completa perquè el transformador fos un tipus de fabricació per encàrrec un cop llest i trigarà un període de 5 dies a completar-se fins que no es faci un pagament parcial.
El pagament parcial suposava (aproximadament) una quarta part del cost total proposat dictat per la persona que s’enrotllava.

Les meves respostes a les preguntes anteriors són:

NOTA: Per evitar confusions de cablejat, suposo que el trafo està fet per a un propòsit: TRANSFORMADOR PAS A BAIX, on el primari és el costat d’alta tensió i el secundari és el de baixa tensió.

a) Entrada principal 0-220V, 2 cables.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- Sortida múltiple secundària de 17,5 V, 11- cables.

b) El corrent d'entrada principal: 4,55 A a 220 V El corrent de sortida: 28,6 amperes a la tensió secundària @ extrem a extrem de 35 V ..... en el càlcul.

Li vaig dir que necessitava 5 amperes a 220V (230. Màx.), És a dir, entrada principal i 32 amperes a 35V, és a dir, sortida secundària multi-tocada.

c) Inicialment li vaig dir 1000VA, però basant-me en el càlcul de volts de l'amplificador i arrodonint les xifres decimals, la potència va ser de 1120VA +/- 10%. Em va proporcionar un valor de tolerància de seguretat per al costat de 220V.

d) Sí. Necessito una instal·lació fàcil a l’armari metàl·lic.

e) No. Li vaig dir que en col·locaré un de extern per facilitar-ne l'accés quan surti accidentalment.

f) Li vaig dir que mantingués el cable esmaltat a l'exterior perquè el costat secundari multi-aixecat fos dissipat adequadament per seguretat i, al costat principal, vaig demanar que es connectessin cables.

g) Sí. Necessito connectar el nucli a terra per motius de seguretat. Per tant, poseu un cable extern.

h) Sí. Li vaig demanar que proporcionés la protecció necessària per a les estampacions bàsiques.

Aquestes van ser la interacció entre ell i jo per al transformador de tipus proposat.

ACTUALITZACIÓ:

En el disseny en cascada de 5 passos anterior, vam implementar el tall de 5 passos a través del costat continu del transformador, que sembla ser una mica ineficient. Es deu al fet que la commutació podria provocar una pèrdua important de potència a través de la CEM posterior del transformador, i això necessitarà que el transformador sigui enormement gran.

Una millor idea podria ser oscil·lar el costat de CC amb un inversor de pont complet de 50 Hz o 60 Hz i canviar el costat de CA secundari amb les nostres sortides IC 4017 seqüencials de 9 passos mitjançant triacs, com es mostra a continuació. Aquesta idea reduiria els pics i els transitoris i permetria a l’inversor una execució més suau i eficient de la forma d’ona sinusoïdal de 5 passos. Els triacs seran menys vulnerables a la commutació, en comparació amb els transistors del costat CC.